不同養護條件下水工混凝土斷裂性能試驗研究

江冬建

(都昌縣水利局，江西 九江 332600)

混凝土是水利工程建設中最常用的建筑材料之一，其力學性能一直受到各方的關注[1-2]，其中水工混凝土的斷裂性能研究起步相對較晚，但發展極為迅速，自從20世紀70年代以來，混凝土斷裂力學行為的研究一直從未中斷，取得了非常多的成果，當前應用最為廣泛的便是基于雙K斷裂模型的試驗規程，同時在向著細觀數值模擬方向發展[3-5]。然而，由于水利工程建設是一項長期工程，往往需要數年甚至十數年，混凝土的性能受晝夜交替或者氣候變化情況下的影響較大，目前關于養護條件對混凝土抗壓強度、抗拉強度、滲透性能及微觀結構等的研究比較多[6-7]，但關于養護溫度、養護濕度對水工混凝土斷裂性能的影響還比較鮮見，因此，有必要對不同養護條件下水工混凝土的斷裂性能展開專項研究。

本文以C18035強度等級大壩混凝土為研究對象，對其在不同養護溫度、養護濕度下的斷裂性能進行了試驗研究，并對等效斷裂性能模型的效果進行評價，以期能為掌握水工混凝土斷裂力學行為提供理論基礎。

1 試驗概況

1.1 原材料

主要原材料包括：P.LH42.5普通硅酸鹽水泥，平均密度3.2g/cm3，初凝時間230min，終凝時間260min，28d水化熱為275kJ/kg，28d抗折和抗壓強度分別為8.8、49.2MPa。F類I級粉煤灰，細度為6.2%，需水量比為97%，含水量為0.1%，燒失量為2.78%。骨料為5～20mm的碎石和人工砂，均為石灰巖材質。引氣劑為GYQ-I型，減水劑為SBTJM?-Ⅱ緩凝II型。

1.2 配合比設計及試件制作

試驗設計的水工混凝土強度等級為C18035，水膠比大小為0.5，粉煤灰摻量為34%，砂率為35%，具體配合比見表1。由于工程所使用骨料最大粒徑為20mm，而斷裂試驗要求的試件韌度高度必須大于最大骨料粒徑的9倍，楔入劈拉試件厚度必須大于最大骨料粒徑的3倍，并結合相關試驗規范，最終確定的試件尺寸為：韌度高度18cm(對應的有效高度為30cm，厚度為12cm)，初始縫高比值為0.4。試件均采用成型鋼模板澆筑，預制裂縫均通過內嵌鋼板生成，預制裂縫寬度均為3mm。

表1 試驗水工混凝土配合比

1.3 養護方案

試驗共設計5種養護條件：A組：養護溫度10℃，相對濕度98%；B組：養護溫度20℃，相對濕度98%；C組：養護溫度40℃，相對濕度98%；D組：養護溫度20℃，相對濕度30%；E組：養護溫度20℃，相對濕度60%。10℃模擬冬季氣溫，20℃模擬標準養護溫度，40℃模擬夏季氣溫，98%濕度模擬充分灑水養護條件，60%濕度模擬潮濕環境條件，30%濕度模擬干燥環境。每種養護條件下均進行3、7、14、28d齡期下的斷裂試驗，每種齡期下均進行3次試驗，取平均值作為試驗結果。具體養護方案見表2。

表2 水工混凝土養護方案

1.4 試驗設備及過程

(1)按照試驗配合比制作楔入劈拉試件，待成型后去除鋼模板；

(2)將試件放入SDH205P濕熱養護箱中，設置對應的溫度和濕度，養護至對應齡期；

(3)取出試件，并將其發到300kN的微機伺服壓力試驗機上；

(4)安裝BLR-1/3000kg型拉壓式傳感器、YYJ-4/10型夾式引伸計、DH3818Y動靜態應變應儀；

(5)調整試驗機上、下壓板位置至平衡狀態；

(6)啟動試驗機，在傳力裝置與楔入劈拉試件接觸之前開始進行數據采集，直至試件發生斷裂破壞。

2 試驗結果

2.1 養護溫度的影響

不同養護溫度下水工混凝土的斷裂性能試驗結果如圖1所示。從圖1中可以看到：水工混凝土的起裂韌度、名義韌度、失穩韌度、斷裂能均隨養護齡期的增大而逐漸增大，相同養護齡期下，養護溫度越高，韌度和斷裂能越大，這是因為隨著養護溫度的升高，混凝土中的水化反應越迅速，試件的強度性能越好；在養護溫度為40℃下時，14d齡期下的韌度與28d齡期下的韌度基本相等，因此可以考慮將40℃下對應的韌度值作為水工混凝土的最終起裂/名義/失穩韌度；在標準養護溫度(20℃)下，雖然14d齡期的斷裂韌度與40℃時相差較大，但28d齡期的斷裂韌度與40℃時相差較小，這說明在標準養護條件下，混凝土強度主要集中在14～28d增長，且增長的幅度較大；在10℃溫度下時，即使養護28d后，起裂韌度、名義韌度、失穩韌度標準養護時分別降低了36%、23.9%和19.6%，相比40℃養護時分別降低了38%、30.2%和25.6%。在標準養護溫度下，3、7、14、28d齡期下的斷裂能分別較10℃時提高23.3%、23.2%、49.6%和11.1%，分別較40℃時降低55.9%、39.2%、30.1%和23.4%。

圖1 不同養護溫度下混凝土斷裂試驗結果

2.2 養護濕度的影響

不同養護濕度下水工混凝土的斷裂性能試驗結果如圖2所示。從圖中可以看到：養護濕度對混凝土早期(0～7d)的斷裂性能影響較小，當養護齡期超過7d后，養護濕度對混凝土斷裂性能的影響逐漸顯現；在養護后期，相同養護齡期下，濕度越高，混凝土的斷裂性能越好；28d養護齡期下，30%濕度養護下混凝土的起裂韌度、名義韌度、失穩韌度分別為0.46、0.77、0.95MPa·m0.5，60%濕度養護下混凝土的起裂韌度、名義韌度、失穩韌度分別為0.495、0.76、1.01MPa·m0.5，相比30%濕度時分別提升7.1%、-1.3%和5.9%，在98%濕度養護下時，起裂韌度、名義韌度、失穩韌度分別為0.625、0.88MPa·m0.5和1.12MPa·m0.5，較30%濕度時分別提升26.4%、12.5%和15.2%。養護濕度對混凝土斷裂能的影響較小，30%、60%和98%濕度下養護28d后，混凝土斷裂能分別為100N·m、108N·m和110N·m，潮濕環境和充分灑水養護條件小混凝土的斷裂能相差很小。

圖2 不同養護濕度下混凝土斷裂試驗結果

3 等效斷裂性能模型分析

試驗的最終目的是要根據已經獲取的數據參數對將來可能出現的不同養護條件下的斷裂性能參數進行預測，成熟度理論常被用于混凝土強度性能預測分析，常用的強度預測模型包括N-S時積公式和F-P等效齡期模型對不同養護條件下的混凝土斷裂性能進行預測，而F-P模型可以將不同養護條件下的斷裂性能轉換為標準養護條件等效齡期下的斷裂性能[8]。根據前文試驗成果可知，養護溫度對于混凝土斷裂性能的影響程程度遠大于養護濕度，因此，模型僅考慮養護溫度的影響，其基本計算式為：

(1)

式中,te—混凝土相應養護條件下的等效齡期，d；T0—標準養護溫度，本文取20℃；Δt—混凝土在該養護條件下的養護齡期，d；E—活化能，當養護溫度高于標準溫度時，取值為33500J/mol，當養護溫度低于標準溫度時，取值為33500+1470(20-T)J/mol；R—氣體常量，取值為8.1344J/mol/K。

將A、B、C 3組的溫度和齡期代入公式(1)，分別計算得到對應的等效養護齡期，然后再在實驗室進行對應養護時間下的斷裂試驗，測得對應的斷裂參數(由于在標準溫度下，上文已經測得，故而僅對A、C組進行等效齡期下的斷裂性能參數)，結果見表3。

表3 A、C兩組等效養護齡期下斷裂性能參數試驗結果

將等效齡期和對應的斷裂性能參數繪制到一張圖表中，并對其進行擬合，即可得到不同養護溫度下水工混凝土斷裂性能參數預測模型，結果如圖3所示。從圖3中可知：利用F-P等效齡期模型計算得到的水工混凝土斷裂性能參數與等效齡期之間呈良好的冪函數型關系，且擬合關系系數R2>0.9，表明利用F-P等效齡期能夠準確預測混凝土的斷裂性能參數，對于不同養護條件下混凝土斷裂性能的預測具有指導意義。

圖3 F-P等效齡期與斷裂性能參數擬合關系

4 結語

對水工混凝土不同養護條件下的斷裂性能進行試驗研究，得出如下結論：

(1)隨著養護齡期的增加，混凝土的斷裂性能逐漸提高，可以將40℃下對應的韌度值作為水工混凝土的最終起裂/名義/失穩韌度。

(2)相同養護齡期下，隨著養護溫度、養護濕度的增大，混凝土的斷裂性能逐漸提升；養護溫度對混凝土斷裂性能的影響程度大于養護濕度。

(3)等效齡期與斷裂性能參數呈良好的冪函數關系，擬合相關性R2>0.9，可利用F-P等效齡期模型對不同養護條件下混凝土斷裂性能進行預測。

(4)本文僅對單一因素影響下的混凝土斷裂性能進行了分析，對于多種耦合下的影響還需要在將來做進一步補充。